CN102095419B - 光纤陀螺温度漂移建模及误差补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种光纤陀螺温度漂移建模及误差补偿方法，包括以下几个步骤：获取学习样本并对样本进行去噪处理；建立基于温度梯度的光纤陀螺温度漂移误差补偿模型；建立基于温度变化速率的参数公式以确定温度变化速率与光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项参数的关系；将光纤陀螺仪的实时输出数据减去利用所述的光纤陀螺温度漂移误差补偿模型所得到的温度漂移补偿值,即对光纤陀螺仪进行了温度补偿。本发明在实现了从机理上对光纤陀螺温度漂移进行建模的同时，还大大提高了建模的简便性和准确性，对光纤陀螺仪在温度环境不断变化条件下的性能研究与改善具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种惯性技术领域中光纤陀螺，特别涉及一种干涉式光纤陀螺的温度漂移误差建模方法，适用于各种光纤陀螺仪。
背景技术
平台运动误差的高精度实时估计是抑制并补偿遥感图像退化的前提。基于惯性敏感器件的误差估计理论与方法是解决该问题的有效途径。深入研究惯性敏感器误差形成机理、建模与标定方法将从测量系统的误差来源前端传感器件角度保证测量系统精度。
光纤陀螺是目前应用较为广泛的一种惯性敏感器件，因此对光纤陀螺的误差形成机理、建模与标定方法的研究具有重要意义。光纤陀螺的基本工作原理是Sagnac效应，即在一闭合回路中从同一光源发出的两束沿相反方向传播的特征相同的光，在同一探测点汇合后产生干涉。若存在绕垂直于闭合光路所在平面的轴线相对惯性空间转动的角速度，则两束传播方向相反的光会产生光程差，该差值与角速度成正比，因此通过光程差与相应的相位差的关系即可检测出相位差，从而计算出角速度。与传统的机械陀螺仪相比，它具有以下显著特点：一、全固态无活动部件，抗振动耐冲击；二、动态范围宽，直接输出数字信号稳定可靠；三、启动时间短，工作寿命长；四、检测灵敏度和分辨率高；五、结构简单，零部件少，易于集成，体积小，重量轻；六、灵活性好，易通过调整结构和相应参数改变陀螺性能。
由于实用性的陀螺往往具有较宽的工作温度范围，而构成光纤陀螺的核心部件中光学原件较多，对于周围环境温度变化十分敏感，陀螺的性能参数在很大程度上会受到温度变化的影响，从而导致陀螺输出中产生温度漂移误差。它严重影响了光纤陀螺的输出精度，也制约了光纤陀螺在工程上的进一步应用。随着光纤陀螺在工程上的普及和推广，摸清其温度特性，削弱光纤陀螺的温度漂移已经成为工程上迫切需要解决的问题。
近几年来，国内外对光纤陀螺温度漂移特性做了很多研究工作，主要有以下两个方向：一是光纤陀螺内部温度控制；二是光纤陀螺温度漂移的补偿。第一种方法从光学机理方面出发，通过温度控制技术来保证光纤陀螺线圈、光源和光学器件在一个稳定的温度场内，从而提高陀螺的输出精度。第二种方法从陀螺输出信号的温度特性角度出发，通过建立温度漂移模型来补偿温度带来的漂移，提高陀螺的精度。温度控制的方法从根本上保证了光纤陀螺工作环境温度的稳定，因此是一种较为理想的方法，但是由于该技术需要在陀螺内部增加温控设施，对于体积较小的中高精度陀螺来说，这种方法实现起来难度比较大。而温度补偿的方法是一种纯数学方法，仅通过建立陀螺温度特性的误差模型进行软件补偿就可以保证光纤陀螺输出信号的精度，实现起来较为简便，而且不需要增加任何额外设备和设施。对于各种精度的光纤陀螺来说，温度补偿的方法都比较适用。
然而，传统的软件方法大多是在某一静态温度下实现对光纤陀螺的建模，建模精度只能在某一较小适用温度范围内保持较高水准，没有充分考虑环境温度对光纤陀螺输出信号的影响，没有将温度、温度变化速率和温度梯度等因素充分考虑进去，建模系统的适用性较低，泛化能力较差。为了全面分析温度、温度梯度和温度变化速率对光纤陀螺输出信号的影响，就必须建立全面的高次、高阶、多参数的高精度误差模型。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提出了一种基于最小二乘拟合算法的光纤陀螺温度漂移建模及误差补偿方法，该方法从机理上对光纤陀螺温度漂移建立了基于温度梯度的数学模型，并将温度变化速率引入到数学模型中，实现了光纤陀螺温度漂移的高次、高阶、多参数的高精度建模，对不同温度变化速率下的光纤陀螺信号均可得到较高的建模精度，极大的提高了模型的泛化能力、拓展了模型的应用范围，且易于实现。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明光纤陀螺温度漂移建模及误差补偿方法包括如下步骤：
（1）获取学习样本并对样本进行去噪处理
以不同温度变化速率下的光纤陀螺原始输出信号为样本，并使用提升小波滤波方法对光纤陀螺原始输出信号进行去噪处理；
（2）建立基于温度梯度的光纤陀螺温度漂移误差补偿模型
建立以温度梯度为自变量，当前时刻与前一时刻光纤陀螺原始输出信号之差为因变量的二阶数学模型，通过对不同温度变化速率下采集的光纤陀螺输出信号样本进行拟合来确定不同温度变化速率下的二阶数学模型的参数；
（3）建立基于温度变化速率的参数公式以确定温度变化速率与光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项参数的关系
在步骤（1）得到的学习样本和步骤（2）得到的不同温度变化速率下的二阶数学模型的参数的基础上，建立以温度变化速率为自变量，上述模型中各项参数为因变量的高阶数学公式；
（4）对光纤陀螺原始输出信号进行温度漂移补偿
在测得当前温度变化速率之后，将温度变化速率输入到步骤（3）得到的数学公式中，计算得出光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项参数，即利用光纤陀螺温度漂移误差补偿模型来求出温度漂移差值，以对光纤陀螺仪进行温度补偿。
步骤（1）中所述不同温度变化速率分别为1℃/m，5℃/m，8℃/m，10℃/m，在以上特征温度变化率的情况下采集光纤陀螺的原始输出数据。
步骤（2）中所述的建立基于温度梯度的光纤陀螺温度漂移误差补偿模型，是以前一时刻光纤陀螺壳体温度与前一时刻外部环境温度之差即温度梯度为自变量，以当前时刻与前一时刻光纤陀螺原始输出信号之差为因变量而建立的二阶数学模型。
步骤（3）中所述建立基于温度变化速率的参数公式以确定温度变化速率与光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项参数的关系，是以温度变化速率为自变量，以步骤（2）中所述光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项参数为因变量而建立的高阶数学模型。
步骤（4）中所述的对光纤陀螺原始输出信号进行温度漂移补偿是以温度变化速率为自变量，以光纤陀螺温度漂移误差补偿模型中各项参数为因变量的高阶数学公式。在利用光纤陀螺温度漂移误差补偿模型求得温度漂移差值之后，将求得的温度漂移差值与前一时刻光纤陀螺输出信号相加，得到光纤陀螺温度漂移的补偿值，然后再用当前时刻的光纤陀螺输出信号减去得到的光纤陀螺温度漂移的补偿值，即对光纤陀螺仪进行了温度补偿。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）本发明在不同温度变化速率（1℃/m，5℃/m，8℃/m，10℃/m）下分别采集了光纤陀螺的原始输出信号、温度和温度梯度，采集方式更先进，考虑因素更全面，有利于从温度、温度梯度和温度变化速率三方面全面分析研究环境温度变化对光纤陀螺温度漂移的影响
（2）建立了以温度梯度为自变量光纤陀螺温度漂移补偿模型，从温度梯度对光纤陀螺输出信号影响的机理上进行了建模。
（3）在优点（2）所述的模型中，是以当前时刻与前一时刻光纤陀螺原始输出信号之差为因变量建立的二阶数学模型，在以温度梯度为自变量进行建模的同时，也充分考虑前一时刻光纤陀螺输出信号对后一时刻光纤陀螺输出信号的影响，保证了建模的精确性。
（4）建立了基于温度变化速率的参数公式以确定温度变化速率与光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项参数的关系，将温度变化速率对光纤陀螺输出信号的影响引入到光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的参数拟合中来，只要在测得当前温度变化速率的情况下，即可利用所建立的光纤陀螺温度漂移误差补偿模型来进行补偿，使建模过程更加简便，提高了工程实用性。
附图说明
图1为光纤陀螺温度漂移建模方法实现过程的示意图；
图2为提升小波滤波原理图。
具体实施方式
本发明光纤陀螺温度漂移建模方法的实现过程如图1所示，主要包括以下四个步骤：
（1）获取学习样本并对学习样本进行去噪处理
选取学习样本集,本实例获取的学习样本数据是通过带温控箱的单轴速率转台和数据采集系统来实现的：首先把陀螺通过夹具固定在转台上，然后在光纤陀螺正常工作温度范围内采集多组特征温度变化速率（1℃/m，5℃/m，8℃/m，10℃/m）下的输出信号以及外部环境温度和光纤陀螺壳体内部工作温度。在得到光纤陀螺原始输出信号后，用提升小波对原始输出信号进行滤波处理（如图2所示），滤波后的数据用作学习样本。
（2）建立基于温度梯度的光纤陀螺温度漂移误差补偿模型
建立以温度梯度为自变量，当前时刻与前一时刻光纤陀螺原始输出信号之差为因变量的二阶数学模型：
式中，
为当前时刻与前一时刻光纤陀螺原始输出信号之差，为前一时刻光纤陀螺工作环境的温度梯度，
为光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项系数。
（3）建立基于温度变化速率的参数公式以确定温度变化速率与光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项参数的关系
在对学习样本进行拟合求得不同温度变化速率下步骤（2）中所述光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项系数后，建立以温度变化速率为自变量，温度漂移误差补偿模型的各项系数为因变量的数学公式：
式中，为光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项系数，
为前一时刻温度变化速率，在对
和
进行拟合之后，求得该数学公式的各项系数
。
（4）对光纤陀螺仪的温度漂移进行补偿
测出当前时刻的温度变化速率
和光纤陀螺输出信号
，将
输入公式（2）中，即可得到在当前温度变化速率下的光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项系数
。将
和当前时刻的温度梯度
输入到公式（1）中即可求得
，
即为下一时刻光纤陀螺输出信号温度漂移的补偿值，由此可对下一时刻光纤陀螺输出信号温度漂移进行补偿。
总之，本发明从机理上对光纤陀螺温度漂移进行了温度梯度建模，将温度变化速率引入到建模中来，同时又考虑到了前一时刻光纤陀螺输出信号对后一时刻光纤陀螺输出信号的影响，综合考虑了各主要影响因素对光纤陀螺输出信号的影响，极大提高了建模的准确性和简便性。
Claims (3)
1.一种光纤陀螺温度漂移建模及误差补偿方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）获取学习样本并对样本进行去噪处理
以不同温度变化速率下的光纤陀螺原始输出信号为样本，并使用提升小波滤波方法对光纤陀螺原始输出信号进行去噪处理；
（2）建立基于温度梯度的光纤陀螺温度漂移误差补偿模型
建立以温度梯度为自变量，当前时刻与前一时刻光纤陀螺原始输出信号之差为因变量的二阶数学模型，通过对不同温度变化速率下采集的光纤陀螺输出信号样本进行拟合来确定不同温度变化速率下的二阶数学模型的参数；
其中，所述的建立基于温度梯度的光纤陀螺温度漂移误差补偿模型，是以前一时刻光纤陀螺壳体温度与前一时刻外部环境温度之差即温度梯度为自变量，以当前时刻与前一时刻光纤陀螺原始输出信号之差为因变量而建立的二阶数学模型；
（3）建立基于温度变化速率的参数公式以确定温度变化速率与光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项参数的关系
在步骤（1）得到的学习样本和步骤（2）得到的不同温度变化速率下的二阶数学模型的参数的基础上，建立以温度变化速率为自变量，上述模型中各项参数为因变量的高阶数学公式；
（4）对光纤陀螺原始输出信号进行温度漂移补偿
在测得当前温度变化速率之后，将温度变化速率输入到步骤（3）得到的数学公式中，计算得出光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项参数，即利用光纤陀螺温度漂移误差补偿模型来求出温度漂移差值，以对光纤陀螺仪进行温度补偿。
2.根据权利要求1所述的光纤陀螺温度漂移建模及误差补偿方法，其特征在于，步骤（1）中所述不同温度变化速率分别为1℃/m，5℃/m，8℃/m，10℃/m，在以上特征温度变化率的情况下采集光纤陀螺的原始输出数据。
3.根据权利要求1所述的光纤陀螺温度漂移建模及误差补偿方法，其特征在于，步骤（4）中所述的对光纤陀螺原始输出信号进行温度漂移补偿是，测出当前时刻的温度变化速率 
和光纤陀螺输出信号
，将
输入公式（2）：
中，即可得到在当前温度变化速率下的光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项系数
；将和当前时刻的温度梯度
输入到公式（1）：中即可求得
，
即为下一时刻光纤陀螺输出信号温度漂移的补偿值，由此可对下一时刻光纤陀螺输出信号温度漂移进行补偿；
式（1）中，为当前时刻与前一时刻光纤陀螺原始输出信号之差，
为前一时刻光纤陀螺工作环境的温度梯度，
为光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项系数；
式（2）中，
为光纤陀螺温度漂移误差补偿模型的各项系数，
为前一时刻温度变化速率，在对
和
进行拟合之后，求得该数学公式的各项系数
。
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Application publication date: 20110615 Assignee: BEIJING SDI SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: Southeast University Contract record no.: 2014320000482 Denomination of invention: Method for modeling and error compensation of temperature drift of fiber optic gyroscope Granted publication date: 20120627 License type: Exclusive License Record date: 20140606 |
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